Abstract

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Author(s) Artiga Gonzalez, A., Gratkowski, M., Rastogi, Ch., Saupe, D.
Title Hochauflösende Messung der Geschwindigkeit für Realistische Simulation des Rennradfahrens auf einem Ergometer
Abstract Ein Ziel des Powerbike Projekts der Universität Konstanz ist eine möglichst realistische Simulation von Rennradfahren. Um dies zu erreichen wurden Strecken mit (Differential‑)GPS aufgezeichnet und dazu passende Videos aufgenommen. Die Simulation erlaubt es, diese Strecken mit synchronisierter Videoabspielung auf einem RBM Cyclus2 Ergometer nachzufahren. Passend zur jeweiligen Position auf der Strecke, der Geschwindigkeit und den Eigenschaften von Fahrrad und Fahrer wird der entsprechende Widerstand mit dem in (Martin et al., 1998) und (Dahmen et al., 2011) beschriebenen mechanischen Model berechnet. Ein Problem bei der Simulation mit einem Ergometer ist die Trägheit. Beim Radfahren müssen sowohl Fahrer als auch Fahrrad beschleunigt und auch wieder abgebremst werden. Die dabei auftretende Trägheitskraft fehlt auf einem Ergometer, da weder Fahrrad noch Fahrer sich bewegen. Die geringe träge Masse der Schwungscheibe genügt nicht als Ausgleich. Ohne eine ähnlich hohe träge Masse, die bewegt wird, sind unrealistisch hohe Beschleunigungen, vor allem beim Anfahren, möglich. Für ein Gangverhältnis am Ergometer von 50/13, ein simuliertes Gangverhältnis von 39/12 und einen simulierten Radradius von 0,34 m beträgt die träge Masse der Schwungscheibe mit 0,54 kgm² während der Simulation 6,78 kg. Die eigentliche träge Masse müsste für eine Gesamtmasse von 90 kg für Fahrer und Fahrrad und für Laufräder mit 0,2 kgm² insgesamt 91,78 kg betragen. Die zum Simulieren der Trägheit benötigte Kraft berechnet sich aus der Differenz beider Massen multipliziert mit der Beschleunigung. Man sieht, dass bei den durch die geringe Trägheit der Schwungscheibe möglichen hohen Beschleunigungen die zusätzliche Kraft, die die Bremse zur Kompensation erzeugen müsste, sehr groß wird. Da die Wirbelstrombremse vom Cyclus2 hohe Widerstände nur bei hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten erzeugen kann, können diese zusätzlichen Kräfte nicht immer erzeugt werden. Können sie erzeugt werden, dann bremsen sie den Fahrer aufgrund der Zeitverzögerung im Messsignal zu abrupt ab und stören den Simulationsablauf. Um derart hohe Kräfte zu vermeiden, könnte man die simulierte (virtuelle) Beschleunigung mit geeigneten Filtern oder Reglern einschränken. Dies würde aber auch die Simulation weniger realistisch machen, da dann eine Erhöhung der Trittfrequenz nicht mehr zu einer Erhöhung der (simulierten) Geschwindigkeit führt. Es bleibt der Ansatz, auf Beschleunigung zu reagieren und die notwendige träge Masse durch den Widerstand der Bremse zu simulieren. Reagiert das System hinreichend schnell durch Erhöhung des Widerstands der Bremse, dann treten sehr große Beschleunigungen gar nicht erst auf und die oben beschriebenen Probleme werden vermieden. Ein erster Schritt, um dies zu erreichen, wird hier mit dem Aufbau und der Validierung eines Systems zur hochauflösenden Messung der Geschwindigkeit, beschrieben.
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